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Steuerungssoftware / Simulation: Den Test automatisieren

Maschinen- und Anlagenbauer gehen mehr und mehr dazu über, Steuerungssoftware vor der Inbetriebnahme zu simulieren, um etwaige Fehler vorab korrigieren zu können. Statt die Tests wie bisher manuell durchzuführen, empfiehlt sich der Umstieg auf ein ­automatisiertes Vorgehen.

Den Test automatisieren Bildquelle: © ISG Industrielle Steuerungstechnik

Die Anforderungen im Maschinen- und Anlagenbau seitens der Kunden wachsen stetig: Immer kürzere Produktions- und Umrüstzeiten, permanenter Termindruck, wachsende Variantenvielfalt und so weiter. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, kommen zunehmend schon vor der Inbetriebnahme Digitale Zwillinge zum Einsatz. Sie ermöglichen neben einer methodischen Testplanung und -durchführung die frühzeitige Behebung etwaiger Software-Fehler. Gleichzeitig wird die Systemarchitektur der Steuerungssoftware moderner Anlagen allerdings zunehmend heterogener; nicht zuletzt aufgrund von Maschinenführern, die – dank Technologien wie Smartphones – immer offener gegenüber intuitiven Bedienkonzepten und anpassbaren Oberflächen in ihren Anlagen sind.

Häufig besteht die Systemarchitektur aus den Kernbestandteilen HMI, SPS und NC-Kern. Da es zwischen diesen Komponenten sowie der Anlage und der Leitebene im Unternehmen unterschiedliche Schnittstellen gibt, steigt die Komplexität solcher Systeme weiter an. Um zu überprüfen, ob eine Steuerungssoftware tatsächlich im gewünschten Sinne funktioniert, sind daher Tests unabdingbar. Der wichtigste Teil der Testaktivitäten – nämlich die Bewertung der Interaktion der Steuerungssoftware – findet allerdings auch heute noch vielfach erst während der Integration und Inbetriebnahme statt.

Prinzipieller Aufbau eines Testplatzes zum automatisierten Test von Steuerungssoftware Bildquelle: © ISG Industrielle Steuerungstechnik

Prinzipieller Aufbau eines Testplatzes zum automatisierten Test von Steuerungssoftware.

So viel zum Status quo. Im Zeitalter der Digitalisierung wünschen sich nun viele Unternehmen, früher mit der Testphase beginnen zu können. Um das zu ermöglichen, setzen immer mehr Firmen auf die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN). Hierzu verbinden sie die reale Steuerungshardware und -software mit einem virtuellen Modell der Anlage. In Letzterem lässt sich das Verhalten in Echtzeit simulieren, wodurch ein sogenannter Hardware-in-the-Loop-Aufbau (HiL) entsteht. Damit kann das Gesamtsystem schon deutlich früher sowohl einem Gut- als auch einem Schlechtfalltest unterzogen werden. Während die Gutfalltests darauf abzielen, die vom Kunden gewünschte Performance und Funktionalität zu überprüfen, werden bei den Schlechtfalltests Zuverlässigkeit und Robustheit der Software getestet, indem die Reaktion der Steuerungssoftware in expliziten Gefahren- und Störsituationen überprüft wird. Unverzichtbare Abnahmetests an der realen Anlage beim Hersteller (Factory Acceptance Test) beziehungsweise beim Kunden (Site Acceptance Test) lassen sich damit wesentlich schneller abschließen.

Bis dato stellen VIBN-Tests Unternehmen jedoch vor gewisse Herausforderungen. Prinzipiell folgen sie zumeist einem ähnlichen Schema: Ein Prüfer führt die Testschritte durch, während er anhand einer umfangreichen Checkliste sämtliche vorgegebenen Bedienhandlungen am HiL-Aufbau manuell durchführt. Er provoziert Störsituationen, indem er entsprechende Eingriffe am Digitalen Zwilling vornimmt. Damit lässt sich die Wirkung der steuerungstechnischen Algorithmen zur Fehlererkennung und primären Fehlerreaktionen beurteilen.

Das Problem bei der manuellen Ausführung dieser Tests: Es können sich immer wieder Fehler einschleichen, wenn es darum geht, die Zustände der Anlage zu beobachten – etwa die falsche Interpretation eines Testschritts oder eine Unaufmerksamkeit des Prüfers. Außerdem müssen bei Änderungen an der Steuerungssoftware oder an Anlagenkomponenten häufig Bedienhandlungen komplett neu ausgeführt werden (Regressionstests) – was einen hohen Zeitaufwand verursacht. 

Außerdem lässt es sich nicht vermeiden, dass aufgrund der Modularität und der Konfigurierbarkeit der Anlagen hohe Wiederholungsraten einzelner Tests entstehen. Nicht zuletzt sorgen kontinuierliche Updates seitens des Steuerungsherstellers ebenfalls dafür, dass regelmäßige Regressionstests der gesamten Steuerungssoftware notwendig sind.

Um diese Herausforderungen meistern zu können, bedarf es eines geeigneten Testautomatisierungswerkzeugs (TAW).